2015 Fiscal Year Research-status Report
透過型メタサーフェス板を前置した低姿勢アンテナ構造体による多偏向ビーム形成
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15K06087
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| Research Institution | Hosei University |
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Principal Investigator |
中野 久松 法政大学, 理工学部, 教授 (00061234)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | チルトビーム形成 / メタサーフェス板 / 周期配列素子 / 金属正方形ループ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超表面（メタサーフェスとよぶ）の特性を利用した、新しい機能を有する電磁波通信機器が国内外で開発されつつある．本研究では、「透過型メタサーフェス板」を創造し、これを給電アンテナ前方に配置することで、所望の１方向に１つ、あるいは異なる複数の方向に、それぞれ、１つの電磁波ビームを放射できるように、新たなアンテナ構造体を実現する．その際、薄型・低姿勢構造体の構築を目指す．本構造を実現するために、１）「周期的に配列された新たな素子から成るメタサーフェス板」の電磁界特性を明らかにし、２）メタサーフェス板の電磁界と給電アンテナからの放射界とを考慮して、１つ、あるいは複数の電磁波ビームを放射させるために、周期配列素子の最適構造と配列法を解明する．
今年度は、透過型メタサーフェス板を励振する給電アンテナとして、直線偏波用正方形パッチを採用し、その放射特性を解明した．本パッチは単方向ビームを有し、利得5.5dBiとなっていた．さらに、波長に比べて小さな金属正方形ループ（外周L、線幅W）を多数個配列して1層の透過型メタサーフェス板を構成した．金属正方形ループの外周Lを固定し、線幅Wを変動させた場合の解析を遂行した．線幅Wがすべて等しいとき放射ビームは基板に垂直な方向に形成されることを明らかにした．この垂直ビームは基板面上の電界位相分布を変えることによりチルトする．金属正方形ループの線幅を段階的に変えると、位相分布が変わり、高利得の一方向チルトビームが得られることを見出した．これに基づき、金属正方形ループの線幅を調整し、33度のチルト角で16.4dBiの利得を達成した．この構造での放射パターン、ビーム方向、VSWRの周波数特性の詳細を明示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
透過型メタサーフェス板（T-MS薄板）を励振するための給電アンテナを、中心周波数8 GHzで動作する様に設計した．給電アンテナとして、直線偏波用正方形パッチを採用した．放射パターン、利得、入力インピーダンスに関する理論値を収集した．
同時に、波長に比べて小さな金属正方形ループ（外周L、線幅W）を多数個配列して1層及び2層のT-MS薄板を構成した．周波数7 GHz から9 GHz（中心周波数8 GHz）の電磁波が、T-MS薄板に入射した場合の基礎特性（透過係数、反射係数、薄板上の電界分布）を求めた．このとき、外周Lを固定し、線幅Wをパラメータとした．定量化のための、計算プログラムを作成した．同様のことを金属長方形ループに対しても一部遂行し、基礎特性を定量化した．定量化された基礎特性を実験により確認した．
上記の結果を基にして、一偏向ビームを放射する『T-MS薄板前置アンテナ構造体』を検討した．ただし、この段階では、T-MS薄板の枚数を1枚とし、給電アンテナを直線偏波パッチアンテナとしている．このとき、T-MS薄板を、構造値の異なるループ素子の配列によって構成し、偏向ビーム最大角33度を得た．さらに2偏向ビームについても一部検討し始めた．
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| Strategy for Future Research Activity |
給電アンテナを直線偏波用アンテナとした2015年度の2偏向ビーム放射について、実験を開始する．実験結果を理論値と比較し、理論の妥当性を検証する．必要であれば理論に修正を加える．偏向ビーム最大角40度が達成されていること、利得が12 dB以上、入力定在波比が2以下であることを確認する．
新たに、給電アンテナを円偏波アンテナとした場合の、2偏向ビーム放射について実験を開始する．実験結果を理論値と比較し、理論の妥当性を確認する．ただし、給電アンテナの前面に装荷するT-MS薄板を1枚とする．実現可能な最大偏向ビーム角が40度、入力定在波比が2以下、および、2偏向ビームの円偏波率が3 dB以下であることを確認する．
以上の結果をふまえて、4偏向ビーム放射の検討に入る．使用するT-MS薄板を1枚として初期的検討を行う．この場合の『T-MS薄板前置アンテナ構造体』に関する電磁界理論を構築する．2015年同様、計算プログラムを作成し、アンテナ構造体を解析する．4偏向ビーム放射とFabry-Perot現象を可視化する．
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| Causes of Carryover |
謝金の使用が発生しなかったため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
繰越金については，2016年度の実験材料等、消耗品に充当予定である．
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Research Products
(8 results)
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[Presentation] Metaspiral antenna system2015
Author(s)
H. Nakano, T. Shimizu, and J. Yamauchi
Organizer
2015 International Symposium on Antennas and Propagation
Place of Presentation
Hobart, Tasmania, Australia
Year and Date
2015-11-09 – 2015-11-12
Int'l Joint Research
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